книги из ГПНТБ / Клейнер, Э. Ю. Основы теории электронных ламп учебное пособие

ГЛАВА 6

РАБОТА ЭЛЕКТРОННЫХ ЛАМП НА СВЕРХВЫСОКИХ ЧАСТОТАХ ПРИ МАЛЫХ УГЛАХ ПРОЛЕТА

§ 6.1. ОСОБЕННОСТИ РАБОТЫ ЭЛЕКТРОННЫХ ЛАМП НА СВЕРХВЫСОКИХ ЧАСТОТАХ

На частотах, больших нескольких мегагерц, на работу электронных ламп начинает влиять ряд факторов, которые при более низких часто­

ты, в результате чего лампа, начиная от некоторого предельного зна­ чения частоты, практически становится неработоспособной (рис. 6.1). Этот предел зависит от конструкции лампы и для наиболее «высокочас­ тотных» ламп лежит около 10 ГГц (к—3 с м ). Работа на еще более высо­ ких частотах требует применения электронных приборов, основанных на другом принципе действия, чем лампы, рассматриваемые здесь.'

Основные факторы, ухудшающиеработу электронных ламп на сверхвысоких частотах, следующие:

1) междуэлектродные емкости;

2) индуктивности выводов;

'3) время пролета электронов;

4)поверхностный эффект;

5)диэлектрические потерн.

Рассмотрим влияние каждого фактора в отдельности.

1. Влияние междуэлектродных емкостей на работу ламп при свер высоких частотах в принципе такое же, как и при более низких, только оно возрастает с ростом частоты. Роль междуэлектродных емкостей,

272

отдельно взятых, уже подробно разбиралась при анализе работы ламп на высоких частотах; о влиянии их в совокупности с индуктивностями вводов будет сказано дальше.

2. Вводы ламп, не предназначенных специально для работы на СВЧ, обычно представляют собой прямолинейный провод круглого сечения. Индуктивность такого ввода при высоких частотах с доста­ точной для практических целей точностью определяется выражением

[Л.6. И

в)

Рмс. 6.2. К определению резонансной частоты лампы:

а — гхема генератора па триоде с учетом индуктивностей вводов п междуэлектродных емкостей; б — то же, при замкнутых накоротко внешних кон­ турах; в — тоже, что и б, но после преобразования включения индуктивное* тей звездой в включение треугольником

Индуктивность ввода стеклянной лампы обычной конструкции в большинстве случаев — порядка 1СГ8 Г. Наличие таких индуктивнос­ тей в цепях электродов имеет следующие последствия.

а. Индуктивности вводов в совокупности с междуэлектродными емкостями уменьшают входное и выходное сопротивления лампы. Осо­ бенно вредно уменьшение входного сопротивления. В случае усилитель­ ной лампы это приводит к тому, что с ростом частоты на управление лампой требуется входной сигнал все возрастающей мощности, а в случае автогенератора, — что с ростом частоты все большая доля ге­ нерируемой высокочастотной мощности передается из выходной цепи обратно во входную.

Вопрос о входном сопротивлении будет рассмотрен подробнее в

§ 6.3.

б. Индуктивности вводов в совокупности с междуэлектродными ем костями создают колебательные контуры, которые делают невозмож­ ной работу ламп на частотах выше определенного предела. На рис. 6.2,а приведена схема триодного генератора, собранного по схеме с общей сеткой, о учетом индуктивностей вводов и междуэлектродных емкостей. Рабочая частота генератора, равная резонансной частоте контуров, определяется выражением

1

где L и С — индуктивности и емкости каждого из контуров с учетом собственных индуктивностей и емкостей лампы. Наиболее высокая частота генерации, очевидно, получится, если L и С будут иметь наи­ меньшие возможные значения, т. е. если закоротить контуры во внеш­ них цепях электродов лампы (рис. 6.2,6). Если преобразовать звезду индуктивностей, образовавшуюся теперь вокруг точки О, в треуголь­ ник (рис. 6.2,в),,то колебательная система генератора распадается на три независимых друг от друга так называемых п а р ц и а л ь н ы х к о н т у р а , резонансную частоту которых легко определить. Частота возбуждающихся в генераторе колебаний, очевидно, будет определять­ ся резонансной частотой колебательной системы в целом, которая, как показывается в теории двухполюсников (см., например, [Л.6.2]), лежит между резонансными частотами парциальных контуров. Резо­ нансная частота, соответствующая совокупности собственных индук­

нельзя. Как легко установить по численным значениям индуктивностей вводов и междуэлектродных емкостей, резонансная частота триодов с проволочными вводами обычно лежит в пределах 150 ч- 600 МГц.

в. При высоких частотах реактивные сопротивления индуктивнос­ тей вводов toL становятся значительными. Так, например, при L = = 2 -10-8 Г и / = 300 МГц значение со L уже составляет ~40 Ом. Реак­ тивные сопротивления индуктивностей оказываются включенными по­ следовательно в цепи электродов и тем самым действуют так же, как сопротивления нагрузки (рис. 6.3). Вследствие этого потенциалы даже тех электродов, в цепях которых не содержится внешней нагрузки, при подаче переменного сигнала на управляющую сетку больше не остаются постоянными. Это особенно важно в отношении экранирую­ щей сетки, так как за счет этого она в значительной степени теряет свое экранирующее действие. Поэтому практически не имеет смысла приме­ нять экранированные лампы с проволочными вводами на частотах вы­ ше 100—150 МГц.

г. Индуктивность ввода общего электрода входит во входную и вы­ ходную цепи лампы и таким образом создает обратную связь между эти­ ми цепями (ср. рис. 6.2,а, индуктивность Lc).

3. С ростом времени пролета снижается входное сопротивление лампы. Подробнее этот вопрос будет рассмотрен в 6.3.2,

274

плоскость непосредственно перед катодом облако пройдет сразу же после включения напряжения. Кривая соответствующего тока имеет форму прямоугольного импульса, площадь которого равна заряду облака q (рис. 6.4,6). В плоскости на расстоянии х от катода импульс будет регистрироваться позже на промежуток времени, необходимый электронам для прохождения пути х. В связи с возросшей скоро­ стью передвижения облака он будет больше по амплитуде и мень­ ше по длительности чем около катода, но так, чтобы площадь под ним оставалась равной площади импульса перед катодом (рис, 6.4,б).

Рис. 6.4. Конвекционные и наведенные токи в диоде:

К аноду импульс придет с отставанием на величину времени пролета электронов т, имея еще большую амплитуду и меньшую длительность (рис. 6.4,а). Во внешней цепи лампы во время движения облака непре­ рывно протекает ток, мгновенное значение которого со временем ли­ нейно нарастает. Здесь, таким образом, получается импульс пилооб­

внешнем проводе имеют совершенно различный вид. Соответственно их и называют по-разному. Токи, характеризующие непосредственно передвижение (конвекцию) свободных зарядов в междуэлектродном про­ странстве, называются к о н в е к ц и о н н.ы м и. Ток, появляющийся во внешней цепи электродов при наличии в междуэлектродном прост­ ранстве конвекционного тока, называется н а в е д е н н ы м . Такое название обусловлено следующим. Когда в пространство между двумя или несколькими электродами вносится электрический заряд, на элект­ родах, согласно закону электростатической индукции, наводятся заря­

276

ды противоположного знака, величина которых зависит от положения вносимого заряда в междуэлектродном промежутке. Наведенный ток— это ток во внешней цепи электрода вследствие изменения наведенного на нем заряда при передвижении вносимого заряда в междуэлектрод­ ном пространстве. Согласно этим определениям конвекционный ток через плоскость на расстоянии х от катода /кон х будет равен заряду, проходящему через эту плоскость за единицу времени

например /г-го, как ток, вызванный изменением наведенного на нем заряда, будет

Для того чтобы установить соотношение между конвекционным и наведенным токами, нужно найти выражение для связи между заряда­ ми в пространстве и на поверхности электрода. Для этого рассмотрим плоский диод с анодным напряжением U один раз при отсутствии, дру­ гой — при наличии облака электронов в междуэлектродном прост­ ранстве.' Когда здесь отсутствуют свободные электроны, на катоде и

При появлении облака электронов с зарядом q на катоде и аноде диода дополнительно к уже имеющемуся заряду q0наводятся соответст­ венно заряды qK и qa, связанные с q уравнением сохранения заряда

Возникающее за счет этих зарядов электрическое поле накладыва­ ется на поле за счет зарядов — q0 и + Ч о - Если облако электронов,имеет вид тонкого заряженного слоя, параллельного поверхностям электро­ дов, то результирующие напряженности поля в пространстве между заряженным слоем и катодом и заряженным слоем и анодом соответ­ ственно будут

При этом величина Е считается положительной, когда соответст­ вующий ей вектор направлен к катоду.

277.

Так как при наличии и отсутствии заряда q разность потенциалов между анодом и катодом одинакова, то, "с одной стороны,

U = Екх + Ea(d — х),

с другой —

U = E0d,

где х — текущая координата положения заряженного слоя; d — рас­ стояние между электродами.

Подстановка (6.7) в (6.5) дает для связи наведенных зарядов qv и

Так как в двухэлектродной системе qKи q по модулю равны, то в случае диода наведенный ток в соответствии с (6.3) можно представить в двух видах, равноценных друг другу:

Подставляя сюда (6.8), получаем для тока, наведенного заряженным слоем, находящимся на расстоянии х от катода,

Если свободные заряды имеются во всем междуэ лектродном прост­ ранстве, а не сконцентрированы в тонком слое, то промежуток между катодом и анодом делят на отдельные тонкие слои толщиной dx и на­ ходят полный наведенный ток как сумму токов, наводимых отдельны­ ми заряженными слоями

^ н а в х dx.

278

С учетом (6.9) этот результат можно представить в виде

d

О

Наведенный ток в какой-либо момент времени, таким образом, равен конвекционному, который получился бы, если имеющиеся в этот момент в междуэлектродном промежутке электроны равномерно распределить на всем расстоянии от катода до анода.

Из (6.9) следует, что для появления наведенного тока уже достаточ­ но, чтобы заряды передвигались в дали от электрода. Поэтому при сверхвысоких частотах может иметься ток в его цепи, даже если электроны на нем не оседают.

6.2.2. Полный ток диода

До сих пор предполагалось, что анодное напряжение диода U постоянно. В связи с этим считался постоянным и заряд q0. Согласно данному ранее определению эта величина представляет собой заряд, возникающий на электродах под действием электрического поля в меж­ дуэлектродном промежутке, при отсутствии в нем свободных электро­ нов, т. е. равна заряду, обусловленному наличием у диода междуэлектродной емкости. Если же U со временем изменяется, то и значе­ ние q0 больше не постоянно и тогда по внешней цепи лампы дополни­ тельно к наведенному току будет протекать емкостный ток

6.2.3. Ток диода в динамическом режиме при малых углах пролета

Рассмотрим теперь работу диода в динамическом режиме, предпо­ лагая, что анодное напряжение состоит из постоянной составляющей U30 и высокочастотной переменной t/am sin

279

Как уже указывалось при определении понятия динамического ре­ жима (см. § 1.6), степень соответствия друг другу мгновенных значений тока через лампу и питающего напряжения зависит от соотношения между временем пролета электронов т и периодом переменной состав­ ляющей питающего напряжения Т. Для количественной оценки этого соотношения вводится понятие у г л а п р о л е т а 0, представляющего собой электрический угол, соответствующий отношению %/Т:

9 = 2тг—

Т

Поскольку 2п/Т равно угловой частоте колебаний со, то 9 удобнее представлять в виде

Физически угол пролета представляет собой изменение фазы пере­ менной составляющей питающего напряжения за время передвижения электрона от одного электрода до другого.

Точное определение тока диода с учетом времени пролета в общем случае сопряжено со значительными трудностями. Поэтому ограничим­ ся качественным рассмотрением этого вопроса. Для упрощения задачи сделаем следующие предпосылки:

а) углы пролета малы; б) амплитуды переменных составляющих напряжений и токов малы

по сравнению с постоянными составляющими.

Первое условие дает возможность считать, что 9 ж tg9 д* sin9. При О< 0,1л; ошибка в результате этого не превышает 5%. Второе условие позволяет рассматривать связь между переменными составляющими токов и напряжений как линейную. Из совокупности этих условий вы­ текает еще одно обстоятельство, значительно облегчающее решение задачи. При наличии переменной составляющей анодного напряжения электроны, покидающие катод в разные моменты времени, движутся к аноду с разной скоростью. Электроны с большими скоростями могут за время пролета догнать или даже перегнать электроны, ушедшие рань­ ше их от катода, но имеющие меньшие скорости. Этот эффект, очевидно, будет тем слабее, чем меньше угол пролета и различие скоростей. При достаточно малых 9 и достаточно малых отношениях переменной состав­ ляющей анодного напряжения к постоянной этим эффектом можно пре­ небречь и считать угол пролета для всех электронов одинаковым. Пе­ речисленные условия в первом приближении выполняются в приемно­ усилительных лампах при частотах ниже 100 МГц.

При соблюдении указанных условий и гармонической форме пере­ менных составляющих напряжений должны получаться токи, изменяю­ щиеся тоже по гармоническому закону. Это дает возможность предста­ вить электрический режим работы лампы в виде векторной диаграммы (рис. 6.5). Согласно (6.12) вектор полного тока равен сумме векторов наведенного и емкостного токов. Для нахождения вектора наве­ денного тока разделим междуэлектродный промежуток опять на отдельные элементарные слои (рис. 6.5, а) и определим вектор наведенного тока, соответствующего конвекционному в каждом из

280